DE2819418C2 - Gas-steam turbine plant - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Gas-Dampfturbinen-Anlage gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.The invention relates to a gas-steam turbine system according to the preamble of the main claim.
Druckgas, das hauptsächlich aus Luft und zum anderen Teil aus Verbrennungsprodukten wie CO2 und Wasserdampf besteht, kommt hauptsächlich für zwei Anwendungen zum Einsatz; bei einer Anwendung als Rohstoff für die chemische Industrie, z. B. für die Ammoniakherstellung, Vergasung von Brennstoffen, Strahlerzeugung, Druckeinspritzung auf öl- und Gasfeldern; bei einer anderen Anwendung in einer Nutzturbine, in der es arbeitsleistend entspannt wird, z. B. zum Antrieb von elektrischen Generatoren. Kompressoren und Pumpen.Compressed gas, mainly from air and partly from combustion products such as CO2 and Water vapor is mainly used for two applications; when used as a Raw material for the chemical industry, e.g. B. for ammonia production, gasification of fuels, Jet generation, pressure injection on oil and gas fields; in another application in a power turbine, in which it is relaxed while doing work, e.g. B. to drive electrical generators. Compressors and pumps.
Für die Versorgung der chemischen Industrie mit Druckgas sind Luftkompressionsanlagen bekannt, die aus mehreren, hintereinandergeschalteten Kompressoren bestehen, die die Luft von Atmosphärendruck auf bis 4000 kpa komprimieren. Zwischenkühler sind meistens vorgesehen, um zu hohe Temperaturen zu vermeiden und damit die Antriebsleistung zu vermindern. Als Antrieb dienen u, a, Elektromotoren, Dampfturbinen und Gasturbinen, Die thermody na mischen Verluste des Antriebes addieren sich zu den thermodynamisehen Verlusten der Kompressionsvorgänge.Air compression systems are known for supplying the chemical industry with compressed gas consist of several compressors connected in series that increase the air pressure from atmospheric pressure compress up to 4000 kpa. Intercoolers are mostly provided to keep temperatures too high avoid and thus reduce the drive power. Electric motors and steam turbines serve as drives and gas turbines, the thermodynamic losses of the drive add up to the thermodynamic losses Loss of compression processes.
Es sind auch Kraftwerke bekannt, die auf der Basis des offenen Gas-Turbinenprinzips arbeiten. Um einen möglichsi großen Wirkungsgrad zu erreichen, wird der Ericson-Prozeß angestrebt Als Annäherungslösung sind sogenannte mehrwellige Gasturbinenanlagen gebaut worden mit mehreren hintereinandergeschalteten Kompressoren mit jeweiliger Zwischenkühlung und Entspannung in mehreren hintereinandergeschalteten Turbinen, wobei jeder Turbine eine Brennkammer vorgeschaltet ist, um die durch die vorangehende Expansion abgekühlten Gase wieder zu erhitzen. Solche Anlagen sind sehr kompliziert und werden nur für Spezialaufgaben gebaut Ein anderer Weg, den Wirkungsgrad zu erhöhen, basiert auf der Tatsache, daß die drucklosen Abgase noch sehr heiß sind und daß es sich deshalb lohnt, die Wärme als Heizmitte! eines Dampferzeugers zu verwenden und mit dem Dampf eine Dampfturbine für zusätzliche Krafterzeugurig zu speisen. Diese Wärmerückgewinnung hat jedoch den wesentlichen Nachteil, daß die drucklosen Abgase eine sehr geringe Dichte haben und Druckverluste verursachen, die die Gasteibinenleistung wesentlich herabsetzen. Außerdem ist der Wärmeübergang zwischen Abgas und Wärmeaustauscher sehr ungünstig.There are also known power plants that operate on the basis of the open gas turbine principle. To one to achieve a high degree of efficiency is possible Aimed at the Ericson process. So-called multi-shaft gas turbine systems are built as an approximate solution with several compressors connected in series with respective intermediate cooling and Relaxation in several turbines connected in series, with each turbine having a combustion chamber is connected upstream in order to reheat the gases cooled by the previous expansion. Such Systems are very complicated and are only built for special tasks. Another way, efficiency to increase is based on the fact that the unpressurized exhaust gases are still very hot and that it is therefore it is worthwhile to use heat as a heating medium! of a steam generator and with the steam to feed a steam turbine for additional power generation. However, this heat recovery has the significant disadvantage that the unpressurized exhaust gases have a very low density and cause pressure losses, which significantly reduce the guesthouse performance. In addition, the heat transfer between the exhaust gas and the heat exchanger is very unfavorable.
Es liegt nun der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Gas-Dampfturbinen-Anlage der eingangs definierten Art zu schaffen, bei der die Wärmerückgewinnung aus den Abgasen unter einem höheren Druck als dem atmosphärischen stattfindet, so daß die Abmessungen des Wärmeaustauschers wesentlich geringer sind und der negative Einfluß des Druckabfalls auf die Turbinenleistung auch geringer ist. Zur Lösung dieser Aufgabe sind erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Gestaltu—.gsmerkmale für die Anlage vorgesehen. Die Merkmale der Unteransprüche betreffen vorteilhafte und förderliche Weiterbildungen.It is now the object of the invention to provide a gas-steam turbine system of the type defined at the outset Type of creating in which the heat recovery from the exhaust gases under a higher pressure than that atmospheric takes place, so that the dimensions of the heat exchanger are much smaller and the negative influence of the pressure drop on the turbine performance is also smaller. To solve this problem are, according to the invention, the design features specified in the characterizing part of claim 1 for the Plant provided. The features of the subclaims relate to advantageous and beneficial developments.
Es sei hier bemerkt, daß die DE-AS 11 49 573 eineIt should be noted here that DE-AS 11 49 573 a
Anlage der eingangs definierten Art zeigt, deren Zweck es jedoch ist. Leistung an einer Schiffswelle zu erzeugen,Plant of the type defined at the outset shows, the purpose of which, however, is. To generate power on a ship's shaft,
die dem Gaserzeuger entnommen wird.which is taken from the gas generator.
Was Anspruch 3 betrifft, spielt die Überlegung eine wichtige Rolle, daß ein Gaserzeuger nach Strahltriebwerk-Bauart (DE-Zeitschrift »Energie und Technik«, Heft 2, Februar 19/2, Seite 39) eine kleine, leichte undWith regard to claim 3, the consideration that a gas generator of the jet engine type plays an important role (DE magazine "Energie und Technik", issue 2, February 19/2, page 39) a small, light and
id serienmäßig hergestellte, käufliche Einheit ist, die sehr große Mengen Druckgas in Form von Abgas erzeugt. Der Druck des Abgases, das hauptsächlich aus Luft besteht, beträgt etwa 300 bis 350 kpa bei einer Temperatur von etwa 970 K. Die Schaufelung und die Brennkammern sind für hohe Leistungen und Temperaturen geeignet. id is a series-produced, commercially available unit that generates very large quantities of pressurized gas in the form of exhaust gas. The pressure of the exhaust gas, which consists mainly of air, is around 300 to 350 kpa at a temperature of around 970 K. The blades and the combustion chambers are suitable for high outputs and temperatures.
In diesem Zusammenhang liegt der Erfindung die weitere Überlegung zugrunde, daß, wenn nun einmal Druckgas erzeugt werden soll, das Abgas des Strahltriebwerkes nicht entspannt und anschließend wieder komprimiert werden soll. Der Abgasdruck, der 3ÖÖ bis 350 kpa beträgt, reicht jedoch für die meisten chemischen Verfahren nicht aus, so daß mindestens eine weitere Kompressionsstufe notwendig ist. Dann treten aber Werkstoffprobleme bei der Kompression auf, da das Abgas eines Strahltriebwerkes sehr heiß, nämlich ca. 973 K ist, und besonders viel heißer ist als das Abgas nach der Nutzturbine einer Gasturbinenanlage, dessenIn this context, the invention is based on the further consideration that if once Compressed gas is to be generated, the exhaust gas of the jet engine is not relaxed and then again should be compressed. The exhaust gas pressure, which is 3ÖÖ to 350 kpa, is enough for most of them chemical processes, so that at least one further compression stage is necessary. Then kick However, there are material problems with the compression, since the exhaust gas from a jet engine is very hot, namely approx. 973 K, and is particularly much hotter than the exhaust gas after the power turbine of a gas turbine system, whose
Temperatur etwa 723 bis 7?3 K beträgt, Pas Abgas muß daher gekühlt werden. Es muß auch sonst gekühlt werden, um Kompressionsarbeit zu sparen, und zwar auf etwa Umgebungstemperatur, Dies bringt den Vorteil, daß die Wärmeaustauschfläcben bei einer Anlage gemäß der Erfindung klein sein können, besonders im Vergleich zur Abkühlung des Abgases bei Umgebungsdruck, Es liegen somit ideale Verhältnisse vor, um Hochdruckdampf mit einer Temperatur von ca. 823 K zu erzeugen, einer Temperatur, die es bekanntlich erlaubt, einen Dampfkreislauf mit einem Wirkungsgrad von ta. 35% zu realisieren. Mit einem Abgas mit einer Temperatur von nur ca. 723 bis 773 K ist die Temperatur des erzeugten Dampfes viel geringer und der Wirkungsgrad des bekannten, mit Abgas beheizten Dampfkreislaufes ist denn auch auf 20 bis 25% beschränktTemperature is about 723 to 7-3 K, pas exhaust gas must therefore be cooled. It has to be cooled otherwise in order to save compression work, namely to around ambient temperature, this has the advantage that the heat exchange surfaces at a Plant according to the invention can be small, especially when compared to the cooling of the exhaust gas Ambient pressure, the conditions are therefore ideal to generate high-pressure steam with a temperature of approx. To generate 823 K, a temperature that is known to allow a steam cycle with an efficiency from ta. 35% to be realized. With an exhaust gas with a temperature of only approx. 723 to 773 K, the temperature is of the generated steam is much lower and the efficiency the well-known, exhaust-gas heated steam cycle is limited to 20 to 25%
Zwei Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes sind nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigtTwo exemplary embodiments of the subject matter of the invention are described below with reference to the drawing. It shows
Fig. 1 eine Gas-Dampfturbinen-Anlage gemäß der Erfindung,1 shows a gas-steam turbine plant according to the invention,
F i g. 2 eine gegenüber F i g. 1 abgewandc-.5e Anlage.F i g. 2 one opposite F i g. 1 remote-.5e annex.
Die Gas-Dampfturbinen-Anlage nach Fig. 1 besteht im wesentlichen aus einem Gaserzeuger 20, einem Dampferzeuger 21, einer Waschkolonne 22, einem weiteren Gaserzeuger 23, einem weiteren Dampferzeuger 24, einer weiteren Waschkolonne 25 sowie einer Dampfturbine 41. Der Gaserzeuger 20 weist bekanntlich eine Kompressionsstufe 20a, Brennstoffkammern 206 und eine Expansionsstufe 20c auf, die die Kompressionsstufe antreibt. Beide Gaserzeuger 20 und 23 sind vorzugsweise Gaserzeuger nach Strahltriebwerk-BauarL The gas-steam turbine system according to FIG. 1 consists essentially from a gas generator 20, a steam generator 21, a scrubbing column 22, a further gas generator 23, a further steam generator 24, a further scrubbing column 25 and one Steam turbine 41. As is known, the gas generator 20 has a compression stage 20a, fuel chambers 206 and an expansion stage 20c which drives the compression stage. Both gas generators 20 and 23 are preferably jet engine type gas generators
Der Gaserzeuger 20 saugt im Überschuß Frischluft von Atmosphärendruck über eine Leitung 30 an. Der Brennstoff für die Brennkammern 206 wird über eine Leitung 31 zugeführt. Das Abgas, das die Expansionsstufe 20c verläßt, bildet das Heizmedium für den Dampferzeuger 21. Das gekühlte Abgas fließt von dort über eine Leitung 32 zur Waschkolonne 22, in dem es durch Berieselung mit Wasser, das unter Druck durch eine Pumpe 33 eingespritzt wird, weiter auf Raumtemperatur abgekühlt wird. Das in der Waschkolonne anfallende warme Wasser wird über eine Leitung 34 abgeführt. Das gekühlte Abgas strömt über eine Leitung 35 zur Kompressionsstufe 23a des zweiten Gaserzeugers 23. Der Brennstoff erreicht die Brennkammern 236 über eine Leitung 36. Das heiße Abgas, das die Expansionsstufe 23c verläßt, strömt über eine Leitung 37 zum zweiten Dampferzeuger 24 und von dort durch die Waschkolonne 25 nach einem Kompressor 26, der das abgekühlte Abgas auf Enddruck komprimiert und über eine Leitung 40 einem (nicht gezeichneten) Verbraucher zuführt. Der Kompressor 26 wird angetrieben durch die Dampfturbine 41, die über eine Leitung 42 mit Dampf vom Dampferzeuger 21 und über eine Leitung 43 mit Dampf vom zweiten Dampferzeuger 24 gespeist wird. Der in der Dampfturbine 41 entspannte Wasserdampf kondensiert in einem über eine Leitung 38 angeschlossenen Kondensator 44. Das Kondenswasser wird von einer Pumpe 45 angesaugt und zum Teil über eine Leitung 47 dem Dampferzeuger 24, zum anderen Teil über eine Leitung 46 dem Dampferzeuger 21 als Speisewasser zugeführt.The gas generator 20 sucks in fresh air at atmospheric pressure via a line 30 in excess. Of the Fuel for the combustion chambers 206 is supplied via a line 31. The exhaust gas that the expansion stage 20c leaves, forms the heating medium for the steam generator 21. The cooled exhaust gas flows from there Via a line 32 to the washing column 22, in which it is sprinkled with water, which is carried through under pressure a pump 33 is injected, is further cooled to room temperature. That in the wash column Any warm water that accumulates is discharged via a line 34. The cooled exhaust gas flows through a pipe 35 to the compression stage 23a of the second gas generator 23. The fuel reaches the combustion chambers 236 via a line 36. The hot exhaust gas leaving the expansion stage 23c flows via a line 37 to the second steam generator 24 and from there through the scrubbing column 25 to a compressor 26, the the cooled exhaust gas is compressed to final pressure and via a line 40 to a (not shown) Consumer feeds. The compressor 26 is driven by the steam turbine 41, which via a line 42 with steam from the steam generator 21 and via a line 43 with steam from the second steam generator 24 is fed. The steam expanded in the steam turbine 41 condenses in a via a line 38 connected condenser 44. The condensed water is sucked in by a pump 45 and partly over a line 47 to the steam generator 24, on the other hand via a line 46 to the steam generator 21 as Feed water supplied.
Zahlenbeispiel einer Anlage nach Fig.)Numerical example of a system according to Fig.)
Zum Beweis, daß in cY:' Anlage gemäß der Erfindung der angebliche hohe Wirkungsgrad tatsächlich erreichtTo prove that in cY: 'Plant according to the invention the alleged high efficiency actually achieved
65 wird, folgt ein Z&hJenbeispiel einer Anlage mit zwei gleichen Gaserzeugern mit folgenden Betriebsdaten. 65 , there follows an example of a system with two identical gas generators with the following operating data.
Gaserzeuger 20Gas generator 20
Frischluft-Ansaugdruck: 100 kPa (atmosphärisch), Luftdurchsatz: 58 kg/s, Ansaugtemperatur: 228 K, Abgasdruck: 315 kPa, Abgastemperatur: 909 K, Brennstoffverbrauch: 35'870 kW, Abgastemperatur nach Waschkolonne 22: 300 K. Wirkungsgrad des Dampfkreislaufes: 35%.Fresh air intake pressure: 100 kPa (atmospheric), air throughput: 58 kg / s, intake temperature: 228 K, exhaust pressure: 315 kPa, exhaust gas temperature: 909 K, fuel consumption: 35,870 kW, exhaust gas temperature according to Wash column 22: 300 K. Efficiency of the steam circuit: 35%.
Gaserzeuger 23Gas generator 23
Abgas-Ansaugdruck: 315 kPa, Ansaugtemperatur: 906 K, Abgasdurchsatz: 58 kg/s, Abgas-Enddruck in Leitung 40: 11'61OkPa, Brennstoffverbrauch: 35'870 kW.Exhaust gas intake pressure: 315 kPa, intake temperature: 906 K, exhaust gas throughput: 58 kg / s, final exhaust pressure in Line 40: 11'61OkPa, fuel consumption: 35'870 kW.
Berechnungen ergeben, daß bei dem totalen Brennstoffverbrauch von 2 χ 35'87OkW = 71'047 kW dieser nur 64% beträgt von dem einer Kompressionsanlage bekannter Bauart, die durch eine Cisturbine mit 33% Wirkungsgrad angetrieben istCalculations show that with a total fuel consumption of 2 χ 35'87OkW = 71'047 kW this only 64% of that of a known type of compression system, which by means of a cisturbine with 33% Efficiency is driven
Es ist möglich, den Dampf einer der beiden Dampferzeuger 21 und 24 für einen anderen Zweck zu verwenden als zum Antrieb der Dampfturbine 4i.It is possible to use the steam from one of the two steam generators 21 and 24 for another purpose use than to drive the steam turbine 4i.
Da der Ansaugdruck des Gaserzeugers 23 höher ist als der atmosphärische, ist dieser Gaserzeuger aus Festigkeitsgründen vorzugsweise von einem Gehäuse 48 umgeben, das ein Gas enthält dessen Druck mindestens dem Ansaugdruck der Kompressionsstufe 23a entspricht Dabei kann das Druckgas in dem Gehäuse 48 eingeschlossen sein, oder dann von dem Abgas in der Ansaugleitung 35 des Gaserzeugers 23 über eine Leitung 35a abgezweigtes Gas sein. In jedem Fall ist das Gehäuse mit einer Kühlvorrichtung 49 zu versehen, um Strahlungsverluste abzuführen.Since the suction pressure of the gas generator 23 is higher than atmospheric, this gas generator is off For reasons of strength, it is preferably surrounded by a housing 48 which contains a gas and its pressure corresponds to at least the suction pressure of the compression stage 23a Housing 48 may be enclosed, or then by the exhaust gas in the suction line 35 of the gas generator 23 be gas branched off via a line 35a. In any case, the housing with a cooling device 49 is closed provided to dissipate radiation losses.
Bei Anlagen kleinerer Leistung, bei der die erforderliche Leistung des zweiten Gaserzeugers 23 so gering ist, daß dafür kein Gaserzeuger nach Strahltriebwerk-Bauart im Handel erhältlich ist kommt statt dessen eine Gasturbine, aber ohne die übliche Nutzturbine, in BetrachtIn the case of plants with a lower output, in which the required output of the second gas generator 23 is so low, that no jet engine type gas generator is commercially available for this purpose Gas turbine, but without the usual power turbine, into consideration
Ähnlicherweise wie beschrieben, ist es möglich, eine dritte oder noch mehrere Kompressionsstufen mit Gaserzeugern auszurüsten. Jedoch wird vorzugsweise die letzte Stufe ein durch eine Dampftui bine angetriebener Kompressor sein, um den erzeugten Dampf auszunützen.Similarly as described, it is possible to use a third or more compression levels To equip gas generators. However, preferably the last stage is one powered by a Dampftui bine Be a compressor to take advantage of the steam generated.
Die Überlegungen für die beschriebene Anlage nach Fig. 1, die Druckgas für einen Verbraucher liefert, gelten auch, wenn die Anlage zum Erzeugen von mechanischer Energie verwendet wird. Dazu wird die Dampfturbine 41 der Anlage von Fig. 1 nicht für die Abgaskompression (Kompressor 26) eingesetzt, sondern für den Antrieb einer Nutzlast der Anlage. Ein weiterer Nutzlastantrieb kann gebildet v/erden durch einen Gaserzeuger mit angebauter Nutziastturbine. F i g. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer solchen Anlage.The considerations for the system described according to Fig. 1, which supplies compressed gas for a consumer, also apply if the system is used to generate mechanical energy. To do this, the Steam turbine 41 of the system of FIG. 1 not for the Exhaust gas compression (compressor 26) is used, but for driving a payload of the system. A further payload drive can be formed by a gas generator with an attached utility turbine. F i g. 2 shows an embodiment of such System.
Die Anlage gen '.äß F i g. 2 besteht im wesentlichen aus einem Gaserzeuger 50, einem Dampferzeuger 51, einer Waschkoionne 52, einem zweiten Gaserzeuger 53, einer Nutzturbine 54 mit elektrischem Generrtor 55, einem zweiten Dampferzeuger 56, einer Dampfturbine 57 mit elektrischem Generator 58 und einem Kondensator 64. Auch bei dieser An.kge sind die Gaserzeuger 50 und 53 vorzugsweise Gaserzeuger nach Strahltriebwerk-Bauart. The system according to FIG. 2 consists essentially of a gas generator 50, a steam generator 51, a Waschkoionne 52, a second gas generator 53, a Power turbine 54 with electrical generator 55, a second steam generator 56, a steam turbine 57 with electric generator 58 and a capacitor 64. The gas generators 50 and 53 are also in this An.kge preferably a jet engine type gas generator.
Der Gaserzeuger 50 saugt Frischluft über eineThe gas generator 50 draws in fresh air through a
Leitung 60 an. Der Brennstoff wird über eine Leitung 61 zugeführt. Das Abgas, das den Gaserzeuger verläßt, bildet das Heizmedium für den Dampferzeuger 51. Das im Dampferzeuger gekühlte Abgas durchströmt die Waschkolonne 52, in der es weiter abgekühlt wird. Das Abgas wird aus der Waschkolonne durch den zweiten Gaserzeuger 53 angesaugt und komprimiert. Über eine Leitung 62 werden die Brennkammern gespeist. Das expandierte Abgas wird unmittelbar der dem Gaserzeuger 53 angebauten Nutzturbine 54 zugeführt, die den elektrischen Generator 55 antreibt. Das in der Nutzturbine entspannte Abgas wird dem Dampfer/enger 56 zugeführt und darin abgekühlt und fließt von dort über eine Leitung 63 durch einen (nicht ge/.eichneten) Kamin ab. Der im Dampferzeuger 56 erzeugte Dampf Line 60 on. The fuel is supplied via a line 61. The exhaust gas that leaves the gas generator forms the heating medium for the steam generator 51. The exhaust gas cooled in the steam generator flows through the scrubbing column 52, in which it is further cooled. The exhaust gas is sucked in from the scrubbing column by the second gas generator 53 and compressed. The combustion chambers are fed via a line 62. The expanded exhaust gas is fed directly to the power turbine 54 which is attached to the gas generator 53 and which drives the electrical generator 55. The exhaust gas expanded in the power turbine is fed to the steamer 56 and cooled therein and flows from there via a line 63 through a chimney (not shown). The steam generated in the steam generator 56
fließt zur Dampfturbine 57, die den Generator 58 antreibt. Der entspannte Dampf wird in einem Kondensator 64 kondensiert. Ein Teil des Kondenswasser wird von einer Pumpe 65 dem Dampferzeuger 56 zugeführt. Der im Dampferzeuger 51 erzeugte Hochdruckdampf fließt über eine Leitung 66 ebenfalls zur Dampfturbine 57. Der andere Teil des Kondenswassers im Kondensator 64 wird von einer Pumpe 67 zum Dampferzeuger 51 zurückgeführt.flows to the steam turbine 57, which drives the generator 58. The relaxed steam is in one Condenser 64 condenses. A part of the condensed water is fed to the steam generator 56 by a pump 65 fed. The high-pressure steam generated in the steam generator 51 also flows via a line 66 to the Steam turbine 57. The other part of the condensed water in the condenser 64 is from a pump 67 to Steam generator 51 returned.
Auch für diese Anlage gilt das hinsichtlich der Anlage nach Fig. 1 Gesagte, daß bei kleiner Leistung bei Verwendung eines Gaserzeugers nach Strahliriebwerk-Bauart statt des zweiten Gaserzeugers nach Strahltriebwerk-Bauart 53. eine Gasturbine ohne Niitzttirbine gewählt werden kann. For this system, too, what has been said with regard to the system according to FIG. 1 applies that in the case of low power when using a gas generator of the jet engine type instead of the second gas generator of the jet engine type 53, a gas turbine without Niitzttirbine can be selected.
Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings
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